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        淄博市周村區(qū)淺層地溫能開發(fā)利用資源潛力評價

        2018-11-22 11:48:46王樹星宋亮梁云漢
        山東國土資源 2018年12期
        關(guān)鍵詞:巖組粘土含水

        王樹星,宋亮,梁云漢

        (山東省第一地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院,山東 濟南 250000)

        0 引言

        淺層地溫能是指蘊藏在地下200m以內(nèi)的巖土體或地下水中,具有開發(fā)利用價值的熱能。因其具有儲量大、分布廣、埋藏淺、無污染等優(yōu)點[1-2],近年來受到了國家的大力推廣,許多地產(chǎn)項目更是大力開發(fā)建設(shè)地源熱泵項目,但由于缺乏前期勘查和規(guī)劃資料[3],在一些條件不適宜地區(qū)盲目建設(shè)新的地源熱泵項目,造成了投資過高,運行效率低等問題[4-7]。因此,開展淺層地溫能資源調(diào)查及適宜性區(qū)劃研究具有重要的現(xiàn)實意義。

        該文以山東省十六市下轄縣(市)及城鎮(zhèn)化建設(shè)重點區(qū)域淺層地溫能調(diào)查評價項目為依托,開展淺層地溫能適宜性分區(qū)及資源潛力評價工作,為合理開發(fā)利用淺層地溫能資源提供科學(xué)依據(jù),對其他相近地區(qū)推廣利用淺層地溫能提供參考。

        1 淺層地溫能賦存條件

        1.1 淺層地質(zhì)結(jié)構(gòu)特征

        研究區(qū)位于山東省中部地區(qū),屬于傾斜平原區(qū)。區(qū)內(nèi)幾乎全部被第四系覆蓋,巖性為粉質(zhì)粘土、粘土,厚10~50m,區(qū)內(nèi)分布自南向北逐漸變厚。下伏地層以萊陽群城山后組砂巖、長石砂巖及青山群八畝地組玄武巖、安山巖、凝灰?guī)r為主。

        1.2 水文地質(zhì)概況

        圖1 山東省水文地質(zhì)分區(qū)圖(局部)

        研究區(qū)位于魯西北平原松散巖類水文地質(zhì)區(qū)與魯中南中低山丘陵碳酸鹽類為主水文地質(zhì)區(qū)交界地帶[8](圖1)。北部屬山前沖洪積平原淡水水文地質(zhì)亞區(qū)(Ⅰ1)的孝婦河沖洪積扇孔隙水系統(tǒng)(Ⅰ1-3),南部屬平陰-臨朐單斜水文地質(zhì)亞區(qū)(Ⅱ1)的淄川盆地裂隙、孔隙水文地質(zhì)小區(qū)(Ⅱ1-10)。

        依據(jù)地下水賦存的不同介質(zhì)類型、巖石的含水性及水力特征,該區(qū)地下水含水巖組分為第四系松散巖類孔隙含水巖組、碎屑巖類孔隙裂隙含水巖組及基巖裂隙含水巖組3類(圖2)。

        1.2.1 第四系松散巖類孔隙含水巖組

        (1)沖積孔隙含水層

        該含水層主要沿孝婦河河漫灘呈條帶狀分布,分布寬度50~500m,含水層巖性為砂礫石夾中、粗砂,厚度一般10~20m。單井涌水量一般大于1000m3/d,含水層富水性好;水化學(xué)類型為SO4-Ca·Mg或SO4·Cl-Ca·Mg型。

        (2)沖洪積孔隙含水層

        該含水層廣泛分布于孝婦河沖洪積平原區(qū),主要沿河帶狀分布。沉積厚度一般10m左右,最厚20m以上,含水層厚度3m左右,近河道地帶厚度較小,約5~10m。單井涌水量一般300~1000m3/d,透水性和富水性較好;水位埋深6~14m;礦化度介于600~1000mg/L之間,水化學(xué)類型為HCO3·Cl-Ca·Mg型。

        1—松散巖類孔隙含水巖組;2—碎屑巖類孔隙裂隙含水巖組;3—基巖裂隙含水巖組;4—粉質(zhì)粘土;5—砂質(zhì)粘土;6—粘土;7—細砂;8—長石砂巖;9—石英砂巖;10—砂巖;11—含礫砂巖;12—凝灰?guī)r;13—玄武巖;14—第四系白云湖組;15—第四系大站組;16—新近系牛山組;17—青山群八畝地組;18—萊陽群城山后組;19—實測及推測平行不整合地質(zhì)界線;20—含水巖組界線;21—斷層;22—研究區(qū)范圍圖2 研究區(qū)立體水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)圖

        (3)坡洪積孔隙含水層

        分布于城區(qū)南部山間谷地、溝谷兩側(cè)的丘陵地帶,巖性主要為粉質(zhì)粘土、砂質(zhì)粘土夾砂礫,厚度1~15m。一般單井涌水量小于100m3/d;個別溝谷地帶單井涌水量可達240m3/d。水位埋深一般10m左右。水化學(xué)類型為Cl·HCO3-Ca·Mg,HCO3·SO4-Ca·Mg型。

        1.2.2 碎屑巖類孔隙裂隙含水巖組

        主要分布于研究區(qū)南部丘陵壟崗區(qū),在山間洼地及北部隱伏于第四系之下。含水層巖性主要為中薄層長石砂巖夾砂礫巖。裂隙發(fā)育程度差,一般透水性弱,富水性差。單井涌水量一般小于100m3/d。

        1.2.3 基巖裂隙水含水巖組

        該含水巖組主要分布在研究區(qū)南部的方家村一帶,主要巖性為黑色橄欖玄武巖,垂直層面柱狀節(jié)理構(gòu)造發(fā)育,具氣孔及杏仁構(gòu)造,與下伏地層呈不整合接觸。富水性較差,單井涌水量小于100m3/d。

        1.3 巖土體熱物性特征

        共采集巖土樣品171件測試巖土熱物性參數(shù)。熱物性測試方法為瞬態(tài)平面熱源法,試驗設(shè)備為湘潭湘儀儀器有限公司生產(chǎn)的DRE-Ⅲ導(dǎo)熱系數(shù)測試儀,儀器測量范圍為0.005~20W/(m·℃),測量精度為±3%,分辨率為0.005W/(m·℃)。測試結(jié)果如表1所示。粘土和粉質(zhì)粘土熱導(dǎo)率較低,介于1.67~1.83W/(m·K)之間,砂巖、安山巖、凝灰?guī)r、玄武巖的熱導(dǎo)率較高,介于1.986~2.647W/(m·K)之間。巖性的熱導(dǎo)率越大,則熱擴散率越大,不同巖性熱導(dǎo)率和熱擴散率呈正相關(guān)關(guān)系;而比熱容則隨著熱導(dǎo)率和熱擴散率的增大而減小。

        表1 主要巖性熱物理參數(shù)

        2 換熱方式適宜性分區(qū)

        淺層地溫能的開發(fā)利用適宜性分區(qū)主要圍繞地下水源熱泵和地埋管地源熱泵的方式進行[9-10]。

        2.1 分區(qū)方法

        層次分析法(AHP)是一種可以對一些復(fù)雜、模糊問題作出決策的權(quán)重分析方法[11-14]。

        運用層次分析法(APH),通過yaahp(verion6.0)軟件,在綜合考慮該區(qū)實際情況及專家建議指標(biāo)[15]和其他檢驗指標(biāo)[16-17]的情況下,建立分區(qū)評價模型(圖3)。使用MapGIS軟件,對研究區(qū)換熱方式進行評價分區(qū)。

        2.2 分區(qū)結(jié)果

        2.2.1 地下水源熱泵適宜性分區(qū)

        研究區(qū)地下水熱泵開發(fā)利用適宜性分區(qū)劃分為二級,即適宜性中等區(qū)、不適宜區(qū)。

        a—地下水源熱泵適宜性分區(qū)評價模型;b—地埋管地源熱泵分區(qū)評價模型圖3 換熱方式適宜性分區(qū)評價模型

        適宜性中等區(qū):研究區(qū)內(nèi)較適宜利用孔隙水換熱系統(tǒng)的區(qū)域共計2.62km2,約占全區(qū)面積的4.36%。主要分布在研究區(qū)東北部孝婦河沿岸的白家寨、班里莊一帶(圖4)。區(qū)內(nèi)含水層巖性以第四系砂質(zhì)粘土為主,富水性較好,水位埋藏深度小,礦化度小。

        不適宜區(qū):除了研究區(qū)東北部孝婦河沿岸以外,研究區(qū)其他地區(qū)均為地下水換熱方式不適宜區(qū)。

        2.2.2 地埋管地源熱泵適宜性分區(qū)

        結(jié)合研究區(qū)淺層地溫能水文地質(zhì)條件、地質(zhì)條件及熱物性、地層屬性,利用層次分析法,將研究區(qū)地埋管地源熱泵適宜性分區(qū)劃分為適宜性好區(qū)(Ⅰ區(qū))、適宜性中等區(qū)(Ⅱ區(qū))、適宜性差區(qū)三個級別(圖4)。

        1—適宜性好區(qū);2—適宜性中等區(qū);3—適宜性差區(qū);4—地下水源熱泵適宜性中等區(qū);5—研究區(qū)范圍;6—地埋管地源熱泵適宜性分區(qū)界線;7—地下水源熱泵適宜性分區(qū)界線圖4 研究區(qū)地源熱泵適宜性分區(qū)

        適宜性好區(qū)(Ⅰ區(qū)):總面積21.69km2,約占研究區(qū)總面積的36.13%。

        Ⅰ1亞區(qū)主要分布于研究區(qū)中部、南部的北旺莊、黃家營村、陳路村、太和莊、趙家莊、二十里鋪、孟家堰、杜家莊一帶,面積17.40km2。區(qū)內(nèi)巖性主要為第四系粉質(zhì)粘土、粘土,下伏地層巖性為城山后組砂巖、長石砂巖,綜合熱導(dǎo)率一般大于2.00w/m·℃。

        Ⅰ2亞區(qū)主要分布于研究區(qū)東北部的張坊村、白家寨、南營一帶,面積4.29km2,區(qū)內(nèi)巖性主要為粉質(zhì)粘土、粘土,下伏地層巖性為城山后組砂巖、長石砂巖。

        適宜性中等區(qū)(Ⅱ區(qū)):總面積32.20km2,占研究區(qū)總面積的53.63%,區(qū)內(nèi)巖性主要為第四系粉質(zhì)粘土、粘土,下伏地層巖性為城山后組砂巖以及八畝地組玄武巖、安山巖。

        Ⅱ1亞區(qū)主要分布于周村區(qū)老城區(qū)、北部的東塘塢、陳橋村以及黃家營東部的區(qū)域,面積30.19km2。

        Ⅱ2亞區(qū)分布于研究區(qū)東南部南部的高塘一帶,面積2.01km2。

        適宜性差區(qū)(Ⅲ區(qū)):面積6.15km2,占研究區(qū)面積的10.24%。分布在研究區(qū)南部的尚莊、方家莊一帶。

        2.3 淺層地溫能適宜性區(qū)劃

        在分別進行地下水和地埋管換熱方式適宜性分區(qū)的基礎(chǔ)上,遵循地下水和地埋管換熱方式適宜性優(yōu)先原則(表2),進行淺層地溫能開發(fā)利用適宜性區(qū)劃。

        研究區(qū)除了水庫等重要水源地保護區(qū)之外,其他地區(qū)均適合開發(fā)淺層地溫能。其中,淺層地溫能開發(fā)利用適宜性中等區(qū)面積53.89km2,占研究區(qū)的89.76%,為地埋管換熱方式適宜性好、適宜性中等區(qū)和地下水換熱方式不適宜區(qū)的重疊區(qū)域;適宜性差區(qū)面積6.15km2,占研究區(qū)面積的10.24%,主要分布在研究區(qū)南部的尚莊、方家莊、王家莊一帶,不適宜淺層地溫能開發(fā)利用。

        表2 淺層地溫能適宜性區(qū)劃原則

        3 資源潛力評價

        淺層地溫能資源潛力評價需要計算的數(shù)據(jù)有:淺層地溫能熱容量、地埋管地源熱泵換熱功率。

        3.1 熱容量計算

        3.1.1 計算方法

        采用體積法分別計算120m和200m以淺包氣帶和飽水帶中的單位溫差儲藏的熱量,然后合并計算評價區(qū)范圍內(nèi)巖土體和地下水中的儲熱性能。

        計算時僅計算適宜區(qū)和較適宜區(qū)范圍內(nèi)的熱容量,不適宜區(qū)不參與計算。首先按200m×200m進行單元格劃分,在此基礎(chǔ)上考慮單元格巖性分布的特點以及單元格內(nèi)包氣帶和飽水帶的厚度,另外,對于巖土體比熱容、孔隙率、密度等參數(shù)差異較大的單元,再按照實際情況進行細分。

        參考淺層地溫能勘查評價規(guī)范的要求確定各計算參數(shù)。

        3.1.2 計算結(jié)果

        研究區(qū)內(nèi)120m深度內(nèi)淺層地溫容量為14.09×1012kJ/℃;200m深度內(nèi)淺層地溫容量為23.16×1012kJ/℃。

        表3 淺層地溫能熱容量計算

        3.2 淺層地溫能換熱功率計算

        淺層地?zé)崮軗Q熱功率為在淺層巖土體、地下水中單位時間內(nèi)的熱交換量[18]。

        3.2.1 計算方法

        在淺層地溫能賦存條件類似區(qū)域,先計算地埋管單孔換熱功率,再計算全區(qū)地埋管換熱功率。地埋管熱泵和地下水源熱泵均可利用區(qū)域,按照地埋管換熱功率占2/3,地下水源換熱功率占1/3的比例計算。僅可利用地埋管熱泵或僅可利用地下水熱泵的區(qū)單獨100%全部計入,計算換熱功率。

        土地利用系數(shù)=城市規(guī)劃系數(shù)×0.35(折減系數(shù))[1]。

        3.2.2 計算結(jié)果

        通過計算,在研究區(qū)內(nèi)考慮土地利用系數(shù)的情況下,120m以淺地埋管熱泵系統(tǒng)換熱功率為61.15×104kW/69.62×104kW(夏季/冬季)。

        表4 地埋管換熱功率計算結(jié)果

        3.3 資源潛力評價

        3.3.1 冷熱負荷的確定

        公用建筑負荷和民用建筑負荷比例采用3∶2,老建筑和節(jié)能建筑指標(biāo)各按50%計,建筑物制冷、供暖負荷取值為70W/m2(夏季)/55W/m2(冬季),結(jié)合冬季換熱功率的計算結(jié)果,計算可供暖面積(表5)[2]。

        表5 單位建筑面積冷熱負荷指標(biāo)

        3.3.2 計算結(jié)果

        在研究區(qū)城市規(guī)劃區(qū)范圍內(nèi),考慮土地利用系數(shù)的情況下,全部應(yīng)用地埋管地源熱泵系統(tǒng),夏季可制冷面積873.57×104m2,冬季可供暖1265.80×104m2。2017年周村區(qū)集中供暖面積550×104m2,如采用地源熱泵,完全可以滿足全區(qū)供暖需求。

        4 經(jīng)濟效益分析

        淺層地溫能作為一種非常規(guī)能源,通常采用折算常規(guī)能源(標(biāo)準(zhǔn)煤)的方法來計算其經(jīng)濟價值。

        4.1 計算公式

        取原煤與標(biāo)準(zhǔn)煤的折算系數(shù)0.7143[19],燃煤鍋爐熱效率按0.6計算[20],計算出節(jié)省的標(biāo)煤量。

        GB=56.94×Q

        GJ=GB×η

        V=GJ×P/10000

        式中:GB—相當(dāng)節(jié)約標(biāo)煤量(kg);Q—淺層地溫能開發(fā)利用的總能量(GJ);GJ—節(jié)煤量(kg);η—淺層地溫能開發(fā)利用效率,按35%計;V—相當(dāng)熱資源價值(萬元);p—燃煤價格(元/kg)

        4.2 計算結(jié)果

        自然條件下,淺層地溫能開發(fā)利用總能量Q為4.48×106GJ/a(考慮土地利用系數(shù)),折合標(biāo)準(zhǔn)煤25.52萬t/a。按照淺層地溫能開發(fā)利用效率35%計算,節(jié)煤量8.93萬t/a,熱資源價值4465.69萬元/a。

        5 結(jié)論

        (1)基于周村區(qū)的水文地質(zhì)條件、水動力場、水化學(xué)場、熱物性及巖性組合條件,對周村區(qū)城市規(guī)劃區(qū)進行淺層地溫能適宜性分區(qū)結(jié)果表明,適宜性中等區(qū)面積共53.89km2,占研究區(qū)面積的89.76%。研究區(qū)范圍內(nèi)可以大力開發(fā)利用淺層地溫能資源。

        (2)研究區(qū)內(nèi)利用淺層地溫能系統(tǒng),夏季可制冷面積873.57×104m2,冬季可供暖1265.80×104m2。

        (3)研究區(qū)內(nèi)淺層地溫能開發(fā)利用總能量為4.48×106GJ/a,折合標(biāo)準(zhǔn)煤25.52萬t/a;節(jié)煤量8.93萬t/a,熱資源價值4465.69萬元/a。

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